EP1213591B1

EP1213591B1 - Magnetanordnung mit einem aktiv abgeschirmten supraleitenden Magnetspulensystem und einem zusätzlichen Strompfad zur Streufeldunterdrückung im Quenchfall

Info

Publication number: EP1213591B1
Application number: EP01121214A
Authority: EP
Inventors: Robert Schauwecker; Pierre-Alain Bovier; Andreas Amann
Original assignee: Bruker Biospin SAS
Current assignee: Bruker Biospin SAS
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2021-09-05
Also published as: EP1213591A2; US6563316B2; DE50109746D1; US20020101239A1; JP2002203713A; DE10060284A1; EP1213591A3; DE10060284C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetanordnung mit einem aktiv abgeschirmten, supraleitenden Magnetspulensystem zur Erzeugung eines Magnetfeldes in Richtung einer z-Achse in einem auf der z-Achse um z = 0 angeordneten Arbeitsvolumen und mit einer Mehrzahl von Schutzelementen zum Schutz des supraleitenden Magnetspulensystems im Falle eines Zusammenbruchs der Supraleitung im Magnetspulensystem, d.h. im Falle eines Quenchs, wobei das supraleitende Magnetspulensystem ein radial inneres Teilspulensystem und ein radial äußeres Teilspulensystem umfasst, welche elektrisch in Serie zusammengeschaltet und zueinander koaxial angeordnet sind und im Arbeitsvolumen je ein Magnetfeld mit entgegengesetzter Richtung entlang der z-Achse erzeugen, wobei der supraleitende Strompfad des Magnetspulensystems in mehrere Abschnitte unterteilt ist, welche mit jeweils mindestens einem der Schutzelemente elektrisch parallel geschaltet sind, wobei mindestens einer dieser Abschnitte sowohl Windungen des radial inneren Teilspulensystems als auch Windungen des radial äußeren Teilspulensystems umfasst.
Eine Magnetanordnung mit einem aktiv abgeschirmten Magnetspulensystem mit einem radial inneren und einem radial äußeren Teilspulensystem, wobei das Magnetspulensystem in mehrere Abschnitte unterteilt ist, die jeweils aus Windungen des inneren und Windungen des äußeren Teilspulensystems bestehen, derart, dass das Dipolmoment eines jeden dieser Abschnitte praktisch Null beträgt und jeder der Abschnitte mit einem Schutzelement parallel geschaltet ist, ist bekannt aus der US-A 5'644'233. Dieses Dokument offenbart eine Magnetanordnung gemäß dem Oberbegriff des Auspruchs 1.
Das Einsatzgebiet von supraleitenden Magneten umfasst verschiedene Anwendungsfelder. Dazu gehören insbesondere Hochfeldanwendungen, beispielsweise für Magnetresonanzverfahren. Solche Hochfeldmagneten erzeugen typischerweise auch ein beträchtliches Streufeld, was für die Umgebung des Magneten ein Gefahrenpotential darstellt. Diesem Problem kann begegnet werden, indem der Magnet mit einer aktiven Abschirmung ausgerüstet wird, also mit einer zusätzlichen supraleitenden Spule, welche mit der Hauptspule des Magneten in Serie geschaltet ist, aber ein Feld mit entgegengesetzter Polarität erzeugt.
Neben den starken Streufeldern stellt auch die Gefahr eines plötzlichen Zusammenbruchs der Supraleitung (=Quench) ein Problem bei supraleitenden Hochfeldmagneten dar. Um den supraleitenden Draht des Magneten im Falle eines Quenchs vor Überhitzung und Zerstörung zu schützen, besitzen supraleitende Magneten im Allgemeinen eine Vorrichtung, welche den Magnetstrom aus den im Verlaufe eines Quenchs resisvit gewordenen Spulenabschnitten über Schutzelemente, beispielsweise Widerstände, ableitet. Bei aktiv abgeschirmten Magneten kann eine solche Quenchschutzvorrichtung nun zu folgendem Problem führen: Falls beispielsweise die Abschirmspule gequencht hat, fließt der Strom aus der Abschirmung über die parallelgeschalteten Schutzelemente ab, während in der Hauptspule im Wesentlichen noch der ursprüngliche Magnetstrom fließt. Dies führt kurzfristig zu einer massiven Überhöhung des Streufeldes der Magnetanordnung, verglichen mit dem Streufeld im Betriebszustand.
In einer Anordnung gemäß US-A 5'644'233 wird das Problem einer möglichen Streufeldüberhöhung während eines Quenchs dadurch behoben, dass die Spulenabschnitte, welchen je ein gemeinsames Schutzelement parallelgeschaltet ist, jeweils aus Teilen der Hauptspule und der Abschirmspule zusammengesetzt werden, derart, dass das Dipolmoment jedes dieser Abschnitte im Betriebszustand klein ist. Falls in einem solchen Abschnitt ein Quench ausbricht und dadurch der Strom lokal reduziert wird, ändert sich daher das Dipolmoment der Magnetanordnung höchstens geringfügig, weshalb sich auch das Streufeld nicht wesentlich erhöhen kann.
Eine solche Lösung, bei welcher sämtliche mit Schutzelementen überbrückten Spulenabschnitte ein verschwindendes Dipolmoment aufweisen, ist insbesondere bei Hochfeldmagneten nicht immer zu verwirklichen. Dies vor allem aus zwei Gründen: Erstens muss für jeden Abschnitt eine supraleitende Verbindung zwischen den Anteilen aus der Hauptspule und den Abschirmungsanteilen gelegt werden, was bei einer feinen Unterteilung des Magneten in viele Abschnitte produktionstechnisch schwierig ist. Zweitens können die Hauptspulen- und Abschirmungsanteile hinsichtlich ihres Dipolmomentes nicht beliebig genau aufeinander abgestimmt werden, weil Anfang und Ende der Abschnitte nicht inmitten eines Wickelpakets liegen können, sondern nur am Ende einer ganzen Spulenlage. Somit ist in typischen Hochfeldmagneten nicht zu vermeiden, dass einige der, mit Schutzelementen überbrückten, Abschnitte ein erheblich von Null verschiedenes Dipolmoment aufweisen, was im Falle eines Quenchs in einem dieser Abschnitte zu einer deutlichen Änderung des Streufeldes der Magnetanordnung führen kann.
Die EP 0 468 415 A2 beschreibt eine Magnetanordnung mit einer inneren, supraleitenden Hauptfeldspule, einer zu dieser in Serie geschalteten äußeren, supraleitenden Abschirmspule mit gegenläufiger Stromrichtung und mit wenigstens einem elektrisch leitfähigen Ring im Außenbereich der Magnetanordnung. Im Falle einer Änderung des Stromflusses in den supraleitenden Spulen, etwa im Falle eines Quenchs, wird im Ring ein Strom induziert, dessen Magnetfeld denjenigen Magnetfeldern entgegen wirkt, die durch Induktionsströme in leitfähigen Teilen der Magnetanordnung erzeugt werden. Dadurch wird das Streufeld im Quenchfall im Wesentlichen konstant gehalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, in einer Magnetanordnung, in welcher nicht alle, mit einem Schutzelement überbrückten, Abschnitte ein verschwindendes Dipolmoment aufweisen, die Gefahr einer Überhöhung des Streufeldes im Falle eines Quenches der Magnetanordnung wesentlich zu reduzieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens ein zusätzlicher, in sich geschlossener Strompfad vorgesehen ist, welcher eine nicht verschwindende Flächenwindungszahl und mit mindestens einem Abschnitt Ai eine von Null verschiedene induktive Kopplung L _Ai↔C3 aufweist, insbesondere derart, dass der Kopplungskoeffizient $K_{i} = \frac{L_{A i \leftrightarrow C 3}}{\sqrt{L_{A i} L_{C 3}}}$
größer als 0.01 ist, wobei L _Ai beziehungsweise L _C3 die Eigeninduktivitäten des Abschnitts Ai beziehungsweise des zusätzlichen Strompfades C3 bezeichnen dass mindestens einer der Abschnitte, welche mit dem zusätzlichen Strompfad eine wesentlich von Null verschiedene induktive Kopplung aufweisen, außerdem ein wesentlich von Null verschiedenes magnetisches Dipolmoment besitzt, und dass der Strom, welcher im Falle eines Quenchs dieses Abschnitts im zusätzlichen Strompfad induziert wird, ein magnetisches Dipolmoment erzeugt, welches im Wesentlichen demjenigen entspricht, welches dieser Abschnitt vor dem Quench aufwies.
Dadurch wird gewährleistet, dass das magnetische Dipolmoment der Magnetanordnung - und somit deren Streufeld - bei einem Quench in jenem Abschnitt erhalten bleibt.
Einerseits wird das Dipolmoment der Abschnitte, welche mit einem Schutzelement überbrückt werden, durch Kombination von Spulenanteilen aus der Hauptspule und der Abschirmspule so weit wie möglich reduziert. Andererseits ist ein zusätzlicher, vom Magnetspulensystem getrennter, Strompfad mit nicht verschwindender Flächenwindungszahl vorgesehen, welcher mit mindestens einem jener Abschnitte, deren Dipolmoment deutlich von Null verschieden ist, eine induktive Kopplung aufweist. Im Falle eines Quenchs in einem dieser Abschnitte wird so im zusätzlichen Strompfad ein Strom induziert, welcher die im Verlaufe des Quenchs auftretende Veränderung des Dipolmomentes der Magnetanordnung kompensiert und somit das Streufeld während des Quenchprozesses weitgehend konstant hält oder sogar zusätzlich reduziert.
Der Vorteil einer erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass bei der Bildung der, mit einem Schutzelement überbrückten, Abschnitte die Forderung nach einem verschwindenden Dipolmoment der Abschnitte nicht mehr notwendigerweise vollständig erfüllt werden muss, und dass dennoch ein guter Schutz vor Streufeldüberhöhungen während eines Quenchs der Magnetanordnung gewährleistet ist. Dadurch wird die Auslegung der Quenchschutzvorrichtung flexibler und sie kann beispielsweise produktionsfreundlicher ausgelegt oder für einen optimalen Schutz der Spule vor Überhitzung während eines Quenchs dimensioniert werden.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung, bei der das radial innere und äußere Teilspulensystem näherungsweise entgegengesetzt gleich große magnetische Dipolmomente aufweisen. Eine solche Magnetanordnung ist optimal magnetisch abgeschirmt, d.h. sie besitzt aufgrund des im Wesentlichen verschwindenden magnetischen Dipolmomentes des Gesamtsystems ein sehr kleines Streufeld. In einer solchen Anordnung wäre es besonders schwierig, allein durch geeignete Wahl der, durch ein Schutzelement überbrückten, Abschnitte die niedrigen Streufeldwerte auch während eines Quenchs aufrecht zu erhalten.
Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung, bei der die Magnetanordnung Teil einer Apparatur zur hochauflösenden Magnetresonanzspektroskopie ist. Da für solche Magnetanordnungen das radial innere Teilspulensystem aufgrund der benötigten hohen Feldstärken im Allgemeinen ein sehr großes Dipolmoment aufweist, bringt der Einsatz aktiv abgeschirmter Magnetsysteme hier einen besonders großen Gewinn. In einer erfindungsgemäßen Anordnung ist gewährleistet, dass auch im Falle eines Quenchs des Magnetspulensystems keine Streufeldüberhöhung auftritt, da eine solche aufgrund des typischerweise großen Dipolmomentes der Hauptspule in diesem Fall besonders unerwünscht wäre.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung wird der zusätzliche Strompfad durch ein zusätzliches, elektrisch vom Magnetspulensystem getrenntes und zu diesem koaxial angeordnetes, Spulensystem gebildet. Die Wahl eines zusätzlichen Spulensystems erlaubt eine maximale Flexibilität in der Dimensionierung des zusätzlichen Strompfades, wodurch sich ein optimaler Schutz vor einer Streufeldüberhöhung im Falle eines Quenches des Magnetspulensystems erreichen lässt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der zusätzliche Strompfad aus einem, mit einem Zusatzschalter überbrückten, Teil des Magnetspulensystems besteht. Dies erlaubt einen Schutz vor Streufeldüberhöhung im Quenchfall ohne großen Produktionsaufwand.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung, bei der der zusätzliche Strompfad einen kleinen Ohm'schen Widerstand R3 besitzt, vorzugsweise derart, dass die Zeitkonstante des zusätzlichen Strompfades L _C3/R3 mehr als eine Sekunde beträgt,- wobei L _C3 die Eigeninduktivität des zusätzlichen Strompfades ist. Dies gewährleistet, dass sich ein allfällig im zusätzlichen Strompfad induzierter Strom langsam wieder abbaut, die Zeitkonstante dieses Abbaus jedoch viel größer als die typische Zeitkonstante eines Quenchs des Magnetspulensystems ist und somit während des Quenchs die Kompensation des durch den Quench veränderten magnetischen Dipolmoments gewährleistet bleibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung ist der zusätzliche Strompfad supraleitend. Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass die während eines Quenchs induzierten Ströme nicht abgebaut werden, bevor die ganze Magnetanordnung durchgequencht hat.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung, bei der der zusätzliche Strompfad eine Vorrichtung zur Begrenzung des in ihm induzierten Stromes aufweist. Dies verhindert, dass unter Umständen ein derart großer Strom in den zusätzlichen Strompfad induziert wird, dass dieser beschädigt werden könnte.
Drei weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetanordnung zeichnen sich dadurch aus, dass der zusätzliche Strompfad Teil einer Vorrichtung ist, welche der Magnetanordnung zusätzliche Funktionalität verleiht. Diese zusätzliche Funktionalität kann insbesondere eine Driftkompensation des magnetischen Feldes der Magnetanordnung im Arbeitsvolumen, eine Shim-Vorrichtung oder eine Kompensation von externen magnetischen Feldfluktuationen sein. Der Vorteil dieser Ausführungsformen liegt darin, dass durch diese Doppelfunktionalität die gesamte Magnetanordnung kompakter gestaltet werden kann.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der zusätzliche Strompfad vom Magnetspulensystem induktiv entkoppelt ist. Dies hat den Vorteil, dass beim Laden oder Entladen des Magnetspulensystems kein Strom in den zusätzlichen Strompfad induziert wird, und dass nach einem Quench des Magnetspulensystems kein Reststrom im zusätzlichen Strompfad fließt auch dann, wenn der zusätzliche Strompfad supraleitend ist.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der obigen Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der zusätzliche Strompfad supraleitend und von mindestens einem der Abschnitte thermisch entkoppelt ist. Dies bewirkt, dass im Falle eines Quenchs in diesem Abschnitt die an den zusätzlichen Strompfad übertragene Wärmemenge klein ist.
Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, für welche die an den zusätzlichen Strompfad übertragene Wärmemenge nicht mehr als fünfzig Prozent derjenigen Wärmemenge beträgt, welche zur Auslösung eines Quenchs im zusätzlichen Strompfad nötig ist. Diese Ausführungsform ist besonders interessant für den Fall, dass der thermisch vom zusätzlichen Strompfad entkoppelte Abschnitt ein nicht verschwindendes magnetisches Dipolmoment besitzt, welches im Falle eines Quenches durch induktive Kopplung auf den zusätzlichen Strompfad übertragen wird. In diesem Fall wird gewährleistet, dass das vom zusätzlichen Strompfad erzeugte magnetische Dipolmoment nicht durch einen aufgrund thermischer Kopplung mit dem quenchenden Abschnitt erzeugten Quench des zusätzlichen Strompfades wieder verschwindet und so das Streufeld der Magnetanordnung erhöht würde.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Magnetanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der zusätzliche Strompfad supraleitend und mit mindestens einem der Abschnitte thermisch gekoppelt ist, vorzugsweise derart, dass die im Falle eines Quenchs in diesem Abschnitt an den zusätzliche Strompfad übertragene Wärmemenge mindestens dem Doppelten derjenigen Wärmemenge entspricht, welche zur Auslösung eines Quenchs im zusätzlichen Strompfad nötig ist. Diese Ausführungsform ist besonders interessant für den Fall, dass der thermisch mit dem zusätzlichen Strompfad gekoppelte Abschnitt ein verschwindendes magnetisches Dipolmoment und mit dem zusätzlichen Strompfad eine im Wesentlichen verschwindende induktive Kopplung besitzt. Dies stellt sicher, dass bei einem vollständigen Quench des Magnetspulensystems auch der zusätzliche Strompfad quencht und so die Magnetanordnung kein Streufeld mehr erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform zeichnet sich die Magnetanordnung dadurch aus, dass mindestens einer der Abschnitte überwiegend aus Windungen des radial inneren Teilspulensystems oder überwiegend aus Windungen des radial äußeren Teilspulensystems besteht, insbesondere derart, dass dieser Abschnitt nur aus Windungen entweder des radial inneren Teilspulensystems oder des radial äußeren Teilspulensystems besteht. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass besonders empfindliche Abschnitte des Magnetspulensystems - beispielsweise die radial innersten Windungen bei Hochfeldmagneten - optimal geschützt werden können. Für solche Fälle ist meist die Bildung mehrerer kleiner Abschnitte wünschenswert, welche ausschließlich Windungen des radial inneren Teilspulensystems umfassen.
Eine weitere besonders bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Magnetanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetanordnung zusätzlich eine passive Abschirmung aus magnetischem Material umfasst. Dadurch kann eine allfällige Streufeldfluktuation während eines Quenchs unterdrückt und so die streufeldreduzierende Wirkung der erfindungsgemäßen Anordnung unterstützt werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die passive Abschirmung ein integraler Bestandteil eines Kryostaten ist, in welchem sich das Magnetspulensystem befindet. Durch den konstruktiven Miteinbezug der passiven Abschirmung in den Kryostaten lässt sich die gesamte Magnetanordnung kompakter gestalten.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Magnetanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die passive Abschirmung im Betriebszustand des Magnetspulensystems nicht vollständig magnetisch gesättigt ist. Dies gewährleistet, dass die noch mögliche zusätzliche Magnetisierung der passiven Abschirmung eine bei einem Quench allfällig auftretende Streufeldüberhöhung kompensieren kann.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die passive Abschirmung aus ferromagnetischem Material, insbesondere aus Weicheisen, besteht. Durch die hohe Permeabilität, hohe Sättigungsmagnetisierung, gute kommerzielle Erhältlichkeit und den geringen Preis von Weicheisen kann so ein sehr kostengünstiger und effektiver zusätzlicher Schutz vor einer Streufeldüberhöhung während eines Quenchs der Magnetanordnung erreicht werden.
Vorteilhaft schließlich ist auch eine Ausführungsform, bei der die passive Abschirmung radial weiter außen als die radial äußerste Windung des Magnetspulensystems (M) angeordnet ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: einen schematischen Vertikalschnitt durch eine radiale Hälfte der erfindungsgemäßen Magnetanordnung; und
Fig. 2: ein Verdrahtungsschema einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit den Spulenabschnitten A1, ..., An und den dazu parallelgeschalteten Schutzelementen R1, ..., Rl.

Anhand der Figur 1 wird eine erfindungsgemäße Magnetanordnung gezeigt, welche um ein Arbeitsvolumen AV angeordnet ist und ein Magnetspulensystem M mit einem radial inneren und einem radial äußeren, koaxialen Teilspulensystem C1 und C2 sowie einen zusätzlichen Strompfad in Form eines zusätzlichen Spulensystems C3 umfasst.
Figur 2 zeigt schematisch die Verdrahtung einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung, insbesondere die Unterteilung des Magnetspulensystems M in mehrere Abschnitte A1, ..., An und die diesen Abschnitten parallelgeschalteten Schutzelemente R1, ..., Rl sowie den zusätzlichen Strompfad C3 in der Ausführungsform eines vom Magnetspulensystem M getrennten zusätzlichen Spulensystems.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsformen einer supraleitenden, aktiv abgeschirmten Magnetanordnung erläutert, welche im Arbeitsvolumen AV je ein Magnetfeld der Stärke 9 Tesla erzeugen. Als Supraleitermaterial wird Niob-Titan eingesetzt. Der Magnet wird in einem Flüssighelium-Bad betrieben bei einer Temperatur von 4.2 Kelvin.
Die erste Magnetanordnung (im Weiteren Ausführungsform "V1" genannt) umfasst ein Magnetspulensystem M mit einem radial inneren Teilspulensystem C1 und einem radial äußeren Teilspulensystem C2. Hierbei besteht C1 aus zwei konzentrischen, koaxialen Solenoidspulen C1a und C1b, welche die gleiche Polarität aufweisen und C2 aus einer einzelnen, zu C1 konzentrisch und koaxial angeordneter Solenoidspule mit zu C1 entgegengesetzter Polarität. Bei der Ausführungsform V1 handelt es sich somit um ein aktiv abgeschirmtes Magnetspulensystem. Der Magnetstrom für diese Anordnung beträgt 81.8 Ampere, die freie Innenbohrung hat einen Durchmesser von 70 Millimetern.
Mit der Variante V1 wird eine erfindungsgemäße Variante (im Weiteren "V2" genannt) verglichen, welche neben dem Magnetspulensystem M einen zusätzlichen Strompfad C3 in Form eines weiteren Spulensystems umfasst. Im vorliegenden Beispiel ist das Magnetspulensystem M identisch mit demjenigen der Variante V1 und C3 besteht aus einer zweilagigen Solenoidspule, welche direkt auf die äußerste Lage von C2 gewickelt wurde. Diese zusätzliche Solenoidspule ist vom Magnetsystem M induktiv entkoppelt und kann beispielsweise auch als B0-Shim mit einer Stärke von 2.5 Millitesla pro Ampere eingesetzt werden.

Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der wichtigsten Merkmale der Teilspulensysteme C1 (C1a und C1b), C2 und des zusätzlichen Strompfades C3.

Tabelle 1

	C1a	C1b	C2	C3
ri [Millimeter]	38.0	63.5	238.3	241.8
ra [Millimeter]	58.5	107.2	241.8	243
L [Millimeter]	380	380	400	400
W	361	468	621	621
N	26	62	6	2

In der Tabelle 1 bezeichnen:
ri den Innenradius der Solenoidspule,
ra den Außenradius der Solenoidspule,
L die Länge der Solenoidspule,
W die Anzahl Draht-Windungen auf jeder Lage der Solenoidspule,
N die Anzahl Drahtlagen der Solenoidspule.

Um die Magnetanordnungen V1 und V2 gegen allfällige Drahtbeschädigungen im Falle eines Quenchs zu schützen, werden die Teilspulensysteme C1 und C2 in Abschnitte unterteilt, welche mit einem Schutzelement überbrückt werden. Die Stellen in den supraleitenden Spulensystemen, an welchen die Schutzelemente mit dem Supraleiter kontaktiert werden, liegen dabei aus produktionstechnischen Gründen mit Vorteil an jenem Spulenende, bei welchem sich auch die Ein- und Ausgänge für den Supraleiterdraht befinden. So wird vermieden, dass die Verbindungsdrähte zwischen Supraleiter und Schutzelementen auf komplizierte Weise mitten aus dem Wickelpaket herausgeführt werden müssen. Dies bedeutet aber, dass nur alle zwei Lagen eine Abschnittsunterteilung eingeführt werden kann. Die Windungen der sechslagigen Abschirmspule C2 in den Magnetanordnungen V1 und V2 können somit auf maximal drei verschiedene Abschnitte verteilt werden.
Damit bei einem Quench gewährleistet ist, dass keine Streufeldüberhöhung auftritt, müssen - wie in der US-A 5'644'233 gezeigt wird - die, mit Schutzelementen überbrückten, Abschnitte je Windungen aus dem Hauptspulensystem C1 und dem Abschirmspulensystem C2 umfassen, derart, dass das Dipolmoment der einzelnen Abschnitte im Wesentlichen Null ist. Gemäß diesem Stand der Technik könnten also in den Magnetanordnungen V1 und V2 maximal drei, mit Schutzelementen überbrückte, Spulenabschnitte gebildet werden, weil die Abschirmspule C2 keine feinere Unterteilung zulässt.
Damit die Schutzvorrichtung ihre Funktion optimal erfüllen kann, ist aber eine Spulenunterteilung in mehr Abschnitte wünschenswert. Je kleiner die mit Schutzelementen überbrückten Abschnitte sind, desto geringer ist ihre Eigeninduktivität und desto schneller kann sich ein Strom in einem gequenchten Abschnitt abbauen, so dass die Gefahr einer lokalen Drahtbeschädigung durch Überhitzung ("hot spot") minimiert werden kann.
Das Problem, dass eine Quenchschutzvorrichtung, welche - wie in der US 5'644'233 - hinsichtlich der Verhinderung einer Streufeldüberhöhung im Quenchfall optimiert ist, ihre Schutzfunktion nicht optimal erfüllt, weil die Abschnittsunterteilung zu grob gewählt werden muss, ist symptomatisch für supraleitende Hochfeldmagnete. Am Beispiel der Magnetanordnungen V1 und V2 bedeutet dies, dass für einen optimalen Spulenschutz wesentlich mehr als drei, mit Schutzelementen überbrückte, Abschnitte nötig sind, wohingegen dann das Ziel der Streufeldunterdrückung im Falle eines Quenchs nicht mehr erfüllt ist, weil nicht mehr alle Abschnitte aus Windungen der Hauptspule C1 und der Abschirmspule C2 zusammengesetzt werden können. Anhand des Beispiels der Magnetanordnungen V1 und V2 soll nun eine Abschnittsunterteilung gewählt werden, bei welcher die Windungen der Teilspule C1b auf drei Abschnitte verteilt werden, wobei jeder dieser Abschnitte auch je zwei Drahtlagen der Abschirmspule C2 umfasst. Die Teilspule C1a bildet einen vierten Abschnitt, welcher keine Windungen aus der Abschirmung C2 enthält (siehe Tabelle 2). Die Wahl der Abschnittsunterteilung im Teilspulensystem C1b ergibt sich durch Minimierung der Streufelder der drei Abschnitte. In der Praxis würde eine feinere Spulenunterteilung bevorzugt, aber die Aufteilung auf insgesamt vier Abschnitte ist eine einfache Anordnung, anhand welcher sich die Problematik der Streufeldüberhöhung im Quenchfall und die erfindungsgemäße Lösung des Problems bereits gut diskutieren lassen. Ohne weitere Maßnahmen (Variante V1) birgt diese Anordnung die Gefahr einer massiven Streufeldüberhöhung, wenn in der Teilspule C1b ein Quench ausbricht, welcher sich thermisch nicht sofort auf die Teilspule C1a überträgt. In diesem Fall sieht man nämlich kurzfristig das volle Streufeld der Teilspule C1a, welches - insbesondere aufgrund der Stromüberhöhung in der Teilspule C1a im Falle eines Quenches in der Teilspule C1b - wesentlich größer werden kann als das Streufeld der gesamten Magnetanordnung im Betriebszustand.
Diese Gefahr ist in der erfindungsgemäßen Magnetanordnung V2 dadurch gebannt, dass im zusätzlichen Strompfad C3 ein Strom induziert wird, welcher das Streufeld der noch supraleitenden Teilspule C1a kompensiert. Das Anbringen des zusätzlichen Strompfades C3 bewirkt also, dass die Streufeldunterdrückung im Quenchfall gewährleistet bleibt, ohne dass dabei die Schutzwirkung der Quenchschutzvorrichtung verschlechtert wird, was aufgrund einer zu groben Abschnittsunterteilung mit einer Lösung gemäß dem zitierten Stand der Technik unvermeidlich wäre.
Da der zusätzliche Strompfad C3 von der gesamten Magnetanordnung induktiv entkoppelt ist, wird sich der in C3 induzierte Strom wieder vollständig abbauen, sobald auch die Teilspule C1a noch gequencht hat. So wird sichergestellt, dass nach dem vollständigen Durchquenchen des Magneten im zusätzlichen Strompfad C3 kein Reststrom mehr fließt. Eine ähnliche Wirkung könnte beispielsweise auch mit einem kleinen Widerstand im zusätzlichen Strompfad C3 oder mit einem Strombegrenzer erzielt werden.
Tabelle 2 zeigt die Unterteilung des Magnetspulensystems M in die vier Abschnitte A1, ..., A4. Tabelle 2

Abschnitt

A1 C1a (Lagen 1-26)

A2 C1b (Lagen 1-26) & C2 (Lagen 1-2)

A3 C1b (Lagen 27-46) & C2 (Lagen 3-4)

A4 C1b (Lagen 47-62) & C2 (Lagen 5-6)
Im Folgenden soll nun das erläuterte Verhalten der Magnetanordnungen V1 beziehungsweise V2 im Quenchfall anhand von zwei verschiedenen Szenarien quantitativ beschrieben werden.
Zur Berechnung der im Falles eines Quenchs in den einzelnen Abschnitten beziehungsweise in C3 induzierten Strömen benötigen wir die Induktivitätsmatrix der beschriebenen Anordnung. Diese berechnet sich zu $[\begin{matrix} L_{A 1} & L_{A 1 \leftrightarrow A 2} & L_{A 1 \leftrightarrow A 3} & L_{A 1 \leftrightarrow A 4} & L_{A 1 \leftrightarrow C 3} \\ L_{A 1 \leftrightarrow A 2} & L_{A 2} & L_{A 2 \leftrightarrow A 3} & L_{A 2 \leftrightarrow A 4} & L_{A 2 \leftrightarrow C 3} \\ L_{A 1 \leftrightarrow A 3} & L_{A 2 \leftrightarrow A 3} & L_{A 3} & L_{A 3 \leftrightarrow A 4} & L_{A 3 \leftrightarrow C 3} \\ L_{A 1 \leftrightarrow A 4} & L_{A 2 \leftrightarrow A 4} & L_{A 3 \leftrightarrow A 4} & L_{A 4} & L_{A 4 \leftrightarrow C 3} \\ L_{A 1 \leftrightarrow C 3} & L_{A 2 \leftrightarrow C 3} & L_{A 3 \leftrightarrow C 3} & L_{A 4 \leftrightarrow C 3} & L_{C 3} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 1.65 & 2.20 & 1.58 & 1.18 & 0.16 \\ 2.20 & 5.98 & 4.70 & 3.50 & - 0.10 \\ 1.58 & 4.70 & 5.12 & 4.09 & - 0.04 \\ 1.18 & 3.50 & 4.09 & 4.12 & - 0.02 \\ 0.16 & - 0.10 & - 0.04 & - 0.02 & 0.57 \end{matrix}] Henry,$

wobei die Matrixelemente, welche Kopplungen mit C3 beschreiben, nur für die Ausführungsform V2 relevant sind. Wie sich aus den obigen Werten erkennen lässt, ist in der Ausführungsform V2 der Strompfad C3 vom Magnetspulensystem M induktiv entkoppelt, mit den einzelnen Abschnitten weist es jedoch eine relativ starke Kopplung auf. Da im Falle eines Quenches durch den Zusammenbruch der Supraleitung in Teilen des Spulensystems der Widerstand im jeweiligen Abschnitt stark ansteigt, wird praktisch der gesamte Magnetstrom über die diesem Abschnitt parallelgeschalteten Schutzelemente fließen. Für die Berechnung der maximal auftretenden Streufelder gilt es nun insbesondere die drei Quenchszenarien zu betrachten, bei welchen jeweils eine der drei Solenoidspulen C1a, C1b und C2 vollständig gequencht hat. Aufgrund der Wahl der Abschnitte sind zwei dieser Fälle (C1b quencht oder C2 quencht) identisch, da in beiden Fällen nur noch im Teilspulensystem C1a (und - falls vorhanden - im zusätzlichen Spulensystem C3) Strom fließen kann.

Tabelle 3 zeigt einen Vergleich der maximalen Streufelder der zwei Ausführungsformen V1 und V2 im Betriebszustand sowie für die zwei verschiedenen Quench-Szenarien.

Tabelle 3

	Betriebszustand	Quench in C1a		Quench in C1b oder C2
	V1 & V2	V1	V2	V1	V2
R5G [Meter]	0.95	0.90	0.95	1.65	0.71
B95 [Millitesla]	0.5	0.4	0.5	2.5	0.2

In der Tabelle 3 bezeichnen:
R5G den Abstand von der Magnetachse, ab welchem die Feldstärke von 0.5 Millitesla unterschritten wird,
B95 den maximalen Betrag der Feldstärke der Magnetanordnung auf einer koaxialen Zylinderfläche mit Radius 0.95 Meter.

Der Bereich innerhalb des Abstandes R5G von der Magnetachse muss typischerweise von magnetfeldempfindlichen Geräten und magnetischen Materialien freigehalten werden. Im Betriebszustand der Magnetanordnungen V1 und V2 beträgt dieser Abstand 0.95 Meter. Es ist daher entscheidend, dass die Feldstärke von 0.5 Millitesla in diesem Abstand von der Magnetachse auch im Falle eines Quenchs der Magnetanordnung nicht überschritten wird. Diese Forderung wird in der Ausführungsform V1 im Falle eines Quenchs in der Solenoidspule C1b oder C2 nicht erfüllt. Das Streufeld kann dann bis auf das Fünffache ansteigen und der Grenzwert von 0.5 Millitesla wird erst außerhalb eines Abstandes von 1.65 Metern von der Magnetachse wieder unterschritten. Demgegenüber tritt in der erfindungsgemäßen Variante V2 in keinem Fall eine Streufelderhöhung auf.

Claims

Magnetanordnung mit einem aktiv abgeschirmten, supraleitenden Magnetspulensystem (M) zur Erzeugung eines Magnetfeldes in Richtung einer z-Achse in einem auf der z-Achse um z = 0 angeordneten Arbeitsvolumen (AV) und mit einer Mehrzahl von Schutzelementen (R1, ..., Rl) zum Schutz des supraleitenden Magnetspulensystems (M) im Falle eines Zusammenbruchs der Supraleitung im Magnetspulensystem (M) d.h. im Falle eines Quenchs, wobei das supraleitende Magnetspulensystem (M) ein radial inneres Teilspulensystem (C1) und ein radial äußeres Teilspulensystem (C2) umfasst, welche elektrisch in Serie zusammengeschaltet und zueinander koaxial angeordnet sind und im Arbeitsvolumen (AV) je ein Magnetfeld mit entgegengesetzter Richtung entlang der z-Achse erzeugen, wobei der supraleitende Strompfad des Magnetspulensystems (M) in mehrere Abschnitte (A1, ..., An) unterteilt ist, welche mit jeweils mindestens einem der Schutzelemente (R1, ..., Rl) elektrisch parallel geschaltet sind, und wobei mindestens einer dieser Abschnitte (A1, ..., An) sowohl Windungen des radial inneren Teilspulensystems (C1) als auch Windungen des radial äußeren Teilspulensystems (C2) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein zusätzlicher, in sich geschlossener Strompfad (C3) vorgesehen ist, welcher eine nicht verschwindende Flächenwindungszahl und mit mindestens einem Abschnitt Ai eine von Null verschiedene induktive Kopplung L _Ai↔C3 aufweist, insbesondere derart, dass der Kopplungskoeffizient $K_{i} = \frac{L_{A i \leftrightarrow C 3}}{\sqrt{L_{A i} L_{C 3}}}$
größer als 0.01 ist, wobei L _Ai die Eigeninduktivitäten des Abschnitts Ai und L _C3 die Eigeninduktivität des zusätzlichen Strompfades (C3) bezeichnen,
dass mindestens einer der Abschnitte (A1, ..., An), welche mit dem zusätzlichen Strompfad (C3) eine von Null verschiedene induktive Kopplung aufweisen, außerdem ein von Null verschiedenes magnetisches Dipolmoment besitzt, und dass der Strom, welcher im Falle eines Quenchs dieses Abschnitts im zusätzlichen Strompfad (C3) induziert wird, ein magnetisches Dipolmoment erzeugt, welches demjenigen entspricht, welches dieser Abschnitt vor dem Quench aufwies.
Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Strompfad (C3) aus einem elektrisch vom Magnetspulensystem (M) getrennten und zu diesem koaxial angeordneten Spulensystem besteht.
Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Strompfad (C3) aus einem, mit einem Zusatzschalter überbrückten, Teil des Magnetenspulensystems (M) besteht.
Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Strompfad (C3) Teil eines Spulensystems ist, welches in der Magnetanordnung als Shim-Vorrichtung und/oder zur Kompensation von externen magnetischen Feldfluktuationen wirkt.
Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Strompfad (C3) vom Magnetspulensystem (M) induktiv entkoppelt ist.
Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Strompfad (C3) supraleitend und von mindestens einem der Abschnitte (A1, ..., An), welcher im Betriebszustand ein nicht verschwindendes magnetisches Dipolmoment aufweist und mit dem zusätzlichen Strompfad (C3) induktiv gekoppelt ist, thermisch entkoppelt ist, vorzugsweise derart, dass die im Falle eines Quenchs in diesem Abschnitt an den zusätzlichen Strompfad (C3) übertragene Wärmemenge nicht mehr als fünfzig Prozent derjenigen Wärmemenge beträgt, welche zur Auslösung eines Quenchs im zusätzlichen Strompfad (C3) nötig ist, und dass der zusätzliche Strompfad (C3) supraleitend und mit mindestens einem der Abschnitte (A1 ..., An), welcher im Betriebszustand ein verschwindendes magnetisches Dipolmoment aufweist und vom zusätzlichen Strompfad (C3) induktiv entkoppelt ist, thermisch gekoppelt ist, vorzugsweise derart, dass die im Falle eines Quenchs in diesem Abschnitt an den zusätzlichen Strompfad (C3) übertragene Wärmemenge mindestens dem Doppelten derjenigen Wärmemenge entspricht, welche zur Auslösung eines Quenchs im zusätzlichen Strompfad (C3) nötig ist.
Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Abschnitte (A1, ..., An) überwiegend aus Windungen des radial inneren Teilspulensystems (C1) oder überwiegend aus Windungen des radial äußeren Teilspulensystems (C2) besteht, insbesondere derart, dass dieser Abschnitt nur aus Windungen entweder des radial inneren Teilspulensystems (C1) oder des radial äußeren Teilspulensystems (C2) besteht.
Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung zusätzlich eine passive Abschirmung aus magnetischem Material umfasst.
Magnetanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Abschirmung im Betriebszustand nicht vollständig magnetisch gesättigt ist.